Energilagring med uppladdningsbar batteriteknik driver vår digitala livsstil och stöder integrering av förnybar energi i elnätet. Batterifunktionen under kalla förhållanden är dock en ständig utmaning som motiverar forskare att förbättra lågtemperaturprestanda hos batterier. Vattenbaserade batterier (i en flytande lösning) klarar sig bättre än icke-vattenbaserade batterier när det gäller hastighetskapacitet (ett mått på energi som urladdas per tidsenhet) vid låga temperaturer.

Ny forskning från ingenjörer vid China University of Hong Kong publicerad 17 april i Nano Research Energy föreslår optimala designelement för vattenhaltiga elektrolyter för användning i lågtemperaturvattenbatterier. Forskningen granskar de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos vattenhaltiga elektrolyter baserat på flera mått:fasdiagram, jondiffusionshastigheter och redoxreaktionernas kinetik.

De största utmaningarna för lågtemperaturvattenbatterier är att elektrolyterna fryser, jonerna diffunderar långsamt och redoxkinetiken (elektronöverföringsprocesser) följaktligen är trög. Dessa parametrar är nära relaterade till de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos de vattenhaltiga lågtemperaturelektrolyterna som används i batterier.

För att förbättra batteriets prestanda under kalla förhållanden krävs därför förståelse för hur elektrolyterna reagerar på kyla (–50 ^o C till –95 ^o C). Studieförfattaren och docent Yi-Chun Lu säger att "för att erhålla högpresterande lågtemperaturvattenbatterier (LT-ABs) är det viktigt att undersöka de temperaturberoende fysikalisk-kemiska egenskaperna hos vattenhaltiga elektrolyter för att vägleda utformningen av lågtemperaturvattenelektrolyter (LT) -AEs)."

Utvärdering av vattenhaltiga elektrolyter

Forskarna jämförde olika LT-AE som används i energilagringstekniker, inklusive vattenhaltig Li ⁺ /Na ⁺ /K ⁺ /H ⁺ /Zn ²⁺ -batterier, superkondensatorer och flödesbatterier. Studien samlade information från många andra rapporter om prestanda hos olika LT-AE, till exempel en frostskyddshydrogelelektrolyt för en vattenhaltig Zn/MnO₂ batteri; och en etylenglykol (EG)-H₂ O-baserad hybridelektrolyt för ett Zn-metallbatteri.

Studien undersökte systematiskt jämvikts- och icke-jämviktsfasdiagram för dessa rapporterade LT-AE för att förstå deras frostskyddsmekanismer. Fasdiagrammen visade hur elektrolytfasen förändras över växlande temperaturer. Studien undersökte också konduktivitet i LT-AE med avseende på temperatur, elektrolytkoncentrationer och laddningsbärare.

Studieförfattaren Lu förutspådde att "ideala frostskyddande vattenhaltiga elektrolyter inte bara bör uppvisa låg frystemperatur T _m men har också en stark underkylningsförmåga", dvs. det flytande elektrolytmediet bör förbli flytande även under frystemperaturen, vilket möjliggör jontransport vid ultralåg temperatur.

Studieförfattarna fann att de LT-AE som gör det möjligt för batterier att fungera vid ultralåga temperaturer faktiskt uppvisar låga fryspunkter och starka underkylningsförmåga. Vidare föreslår Lu att "den starka underkylningsförmågan kan realiseras genom att förbättra den minsta kristallisationstiden τ och öka förhållandet mellan glasövergångstemperatur och frystemperatur (T _g /T _m ) av elektrolyter."

Laddningskonduktiviteten hos de rapporterade LT-AE för användning i batterier skulle kunna förbättras genom att minska mängden energi som krävs för att jonöverföring ska ske, justera koncentrationen av elektrolyter och välja vissa laddningsbärare som främjar snabba redoxreaktionshastigheter. Lu säger att "att sänka diffusionsaktiveringsenergin, optimera elektrolytkoncentrationen, välja laddningsbärare med låg hydratiserad radie och utforma samordnade diffusionsmekanismer skulle vara effektiva strategier för att förbättra jonkonduktiviteten hos LT-AE."

I framtiden hoppas författarna att ytterligare studera de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos elektrolyter som bidrar till förbättrad vattenbaserad batteriprestanda vid låga temperaturer. "Vi skulle vilja utveckla högpresterande lågtemperaturvattenbatterier (LT-AB) genom att designa vattenhaltiga elektrolyter med låg frystemperatur, stark underkylningsförmåga, hög jonkonduktivitet och snabb gränssnittsredoxkinetik", säger Lu. + Utforska vidare

Utvecklar brett temperaturområde och högspänningsvattenhaltiga MXene plana mikrosuperkondensatorer